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1、目 录第一章 太阳能割草机器人的研究现状2第二章 太阳能割草机器人总体方案的设计32.1太阳能割草机器人设计要求32.2太阳能割草机器人本体结构的设计42.2.1太阳能割草机器人关键部件的选择52.2.2太阳能割草机部件分布62.3传感器的选择82.4系统控制体系结构的设计92.5控制系统的中的数据管理102.6本章小结11第三章 太阳能割草机器人控制系统的硬件构成113.1太阳能割草机的主控制器的介绍123.2 CPU核心电路的设计133.3传感器的系统模块设计- CMPS03电子罗盘的应用14第四章 太阳能割草机器人的软件设计154.1嵌入式数据库的应用154.1.1嵌入式系统SQLite
2、简介164.2关键部分编程的实现184.2.1主程序的设计184.2.2超声波避障程序的设计19第五章 总结与展望205.1总结205.2展望21基于ARM太阳能割草机器人控制系统的研究第一章 太阳能割草机器人的研究现状太阳能割草机器人为自动割草机器人的一个类别，它与其它类型的自动割草机的唯一区别是能源系统不同，太阳能割草机器人的主要能量源为太阳能。现在在国际与国内对太阳能割草机器人的研究己经十多年了，并且积累了一定经验，但是现在比较成熟的产品应该是瑞典Electrolux公司开发的Husqvarna AutoMower太阳能割草机器人系列如图1.1所示。它是以蓄电池与太阳能电池板共同为系统提
3、供能源。Husqvarna AutoMower在比较好的天气下每天大概能割0.65英亩的草坪，比只利用蓄电池的割草机割草面积的大小大概可以提高25%。但是在Husqvarna AutoMower割草的区域的四周仍然需要铺设导线，以便于为太阳能割草机器人提供导航与边界标示。图1.1 Husqvarna AutoMower在国内，太阳能割草机器人还处于起步发展阶段，现在投放市场的产品只有桂林豪明生物环保能源有限责任公司生产的肩背式太阳能割草机，如图1.2所示，它对太阳能在割草机上的应用起到技术积累的功效。智能化的太阳能割草机在大中院校做了一些实验性的研究，虽然取得了一定的成果，但是到现在为止还没有
4、推出成品化的机器。图1.2 肩背式太阳能割草机第二章 太阳能割草机器人总体方案的设计本课题研究的对象为智能环保的家用割草机，它是一个综合的体系结构，其集成了能源利用、机械机构、智能控制、环境的感知、行为的规划、智能决策等多种技术。本文从实用出发讨论了割草机车体的选型，能量管理，硬件电路的设计以及嵌入式数据库系统和硬件的控制算法。2.1太阳能割草机器人设计要求太阳能草坪割草机的基本任务就是完成草坪的割草工作。由于它采用了太阳能作为能源，电动机作为动力，其结构与传统的机械式割草机有很大的区别，对其设计要求除了满足传统割草机的工作要求之外，还有一些特殊的设计要求。其设计要求包括以下几个方面:(1)工
5、作要求:割草宽度46cm(18inches),割草高度25-55mm(1-2.2inch);割草电机转速3500r/min;最大行进速度0.4m/s;转弯半径为零。(2)结构要求:太阳能草坪割草机在结构上要简洁，除去不必要的结构，来减轻整机重量。(3)操作要求:太阳能割草机要求操作简单，在无人职守的情况下可以独立完成割草任务。2.2太阳能割草机器人本体结构的设计与机械式割草机相比，太阳能割草机器人能量和控制的传递是通过柔性的电线而不是刚性的机构，这使太阳能割草机便于模块化，因此本系统将太阳能割草机分为四个模块:能量系统，电机驱动系统，控制系统，割草系统。能量系统主要有控制器，蓄电池，太阳能电池
6、池，电流调节器组成;电机驱动模块主要由驱动电机和驱动轮驱动组成，其作用是通过差动方式使太阳能割草机器人完成前进、后退、转弯;割草系统主要由割草电机，割刀及高度调节机构组成;控制系统主要有控制器与传感器组成;除此之外还有割草机器人壳体等。太阳能割草机器人的基本结构如图2.1所示，其中粗实线为能量流动方向，细实线为控制信号方向，粗浅色线为机械传动连接。图2.1 太阳能割草机的基本结构2.2.1太阳能割草机器人关键部件的选择现在割草机的运动方式主要有轮式、履带式、足式等;履带式割草机一般用于坡度较大的环境中，足式割草机一般用于特殊的场合，在比较平坦的环境下轮式割草机应用广泛。由于家庭草坪与公共绿地地
7、形平坦，因此本系统采用轮式运动方式。目前草坪机械主要有两个基本类型:滚刀式修剪机和旋刀式修剪机，而滚刀价格较高，且要求严格的保养，所以割草机采用旋刀式设计，即以高速水平旋转的刀片把草割下。对于家用割草机器人来说，其割刀尺寸不应过大，因此割刀采用单刀片。割刀刀片由高速直流电机驱动。割刀驱动电机在割草机中高速运转，因此割草机内部应该有足够的空间散热。 蓄电池为割草机另一个能量源，在外部光照不足时起到主要供能的作用，选择蓄电池的好坏会影响到割草机的寿命的长短。现在常用的蓄电池为镍福蓄电池、铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、铿电池。虽然镍福电池和铅酸电池制作简单价格便宜，但是福元素和铅元素会污染环境。镍氢电池具
8、有较好的低温放电性，且报废后无污染，但是镍氢电池高温性能比较差，在阳光下易于氧化，使蓄电池寿命过短，因此镍氢电池不太适合本系统。铿电池具有容量高、质量轻、充放电效率高等优点;虽然价格相对其它三种高，但其性价比具有更大的优势，因此本系统采用铿电池作为蓄电池。在太阳能割草机中，电机的用途主要分为两个种类:一种，电机用来驱动割草刀片的高速旋转，称为割草电机;另一种，电机用来驱动割草机车轮的行走，称为行走驱动电机。由于直流电机具有良好的起、制动性能，适于在大范围内平滑调速，因此本系统使用直流电机。直流电机又分为有刷直流电机和无刷直流电机，但是有刷直流电机易于磨损，所以本系统采用无刷直流电机。2.2.2
9、太阳能割草机部件分布本割草机器人本体采用三轮小车机构的设计，前轮为其起导向作用的万向轮，两后轮为两个电机差动驱动的驱动轮，这种结构的优点是:控制实现简单，只需分别控制后两轮驱动电机的转速和转角，就能准确控制自动割草机器的动作，转弯非常灵活，特别是能实现零半径转弯，有利于移动机器人在行走过程中对障碍物进行实时避障。蓄电池为割草机最重的部件，由于要保证万向轮具有高的灵活度，不可以在万向轮上加载过大的力，因此将蓄电池放在割草机的后部。割草机的割刀安装在刀盘上这样可以增加转动惯量提高割草的质量。割草电机在高速旋转的过程中会产生大量的热能，为了避免人割草机内部的积累，将割刀放在割草机空间较大前半部分。具
10、体的结构如图2.2所示。1、万向轮2、刀盘3、割刀4、割草机外壳5、液晶显示器及键盘6、蓄电池7、驱动轮8、变速器9、驱动电机10、控制板11、割草电机图2.2割草机的结构图太阳能电池板采用帖附方式，将太阳能电池板薄片贴在割草机器人的表面，用导流槽将每块电池薄片串联起来。这样是割草机器人看起来比较美观简约，并且大大减小割草机的重量。考虑到太阳能割草机器人的一个要求一重量尽可能的小，因此割草机的支架结构采用铝合金材料，采用弯折成型与螺母链接将构架搭建起。割草机的外壳采用ASA塑料，其优点是:良好的物理性能，抗老化性能强，可以应对比较恶劣的气候变化，耐高温性能好，并且还可以防止静电，减少了车体静电
11、对尘土的吸附和对电路板的噪声干扰。2.3传感器的选择割草机器人在随时变化的环境中自主工作，应具有感知环境的变化的能力。在家用太阳能割草机上利用的传感器应该具备以下特点:满足系统的要求;价格合理;技术成熟;结构简单等。但是现在市场上的传感器种类很多，但是它们各有优缺点，因此本系统采用几种传感器的组合。在内部，采用电子罗盘与编码器，在外部采用超声波传感器来感知障碍物。市场上的运动方位传感器有很种，例如陀螺仪，倾角仪等。但是由于家庭草坪与公共绿地比较平坦对三维坐标要求不严，另外陀螺仪与倾角仪价格比较昂贵，因此在本系统只选用了二维电子罗盘CMPS03，来获得割草机的运动方位角，且结构简单易于实现。现在
12、比较常用的测距传感器有超声波传感器，红外传感器，激光传感器，但是激光传感器价格比较高，不太适合应用在家庭设备上，在本系统中不予考虑。红外传感器的有效测距范围为5cm- 80cm ,测得有效距离过短，使割草机反应时间减少，在高速情况下如果割草机反应过慢就有可能与发生障碍物碰撞。超声波传感器选择GH-311 RT模块，它的有效距离为10cm-800cm，虽然存在着盲区，但是对家庭割草机来说己经完全能够满足检测障碍物的要求。超声波传感器的分布如图2.3所示。图2.3超声波传感器的分布2.4系统控制体系结构的设计太阳能割草机器人属于智能机器，它能感知外部环境，随着外部的环境对变化，割草机器人能做出及时
13、的反应。在本系统中设计了能量管理决策系统，基站系统，环境感知系统，电机控制系统等。太阳能割草机的能量系统属于以太阳能为主要供能源蓄电池为辅助供能源的混合功能系统，但如何提供需要控制系统根据外部的环境进行决策，因此系统设计了能量管理系统。基站系统为定位系统，这里设计了超声波传感器、微波传感器及电子罗盘结合得出割草机在割草区域内的极坐标，对割草机进行定位，处理器根据割草机所在的位置进行指导割草机的行走方向并可以根据坐标判断割草机是否走过该区域。环境感知系统为将外部的环境进行简单处理，传送给中心处理器，中心处理器对外部环境进行分析，然后做出决策。电机控制系统用于对割草机的直行，加速，转向，倒退的控制
14、。在电机控制系统中还设计对过流与过热保护系统，用于保护电机与控制器避免意外的事故的发生。图2.4太阳能割草机器人控制结构2.5控制系统的中的数据管理在本系统中，牵扯到电子地图的建立、行走过程位置的记录、重复率的判断、边界的判断、是否有未走过的判断、在行走过程中障碍物位置的记录及割草机对障碍物的躲避计算，这些都需要控制器具有高时效性和高信息吞吐量，因此本系统引入数据库系统，负责全局的存储、处理和维护，整个系统的环境和工作过程位置的记录、推理知识以及融合传感器信息。图2.5太阳能割草机器人的管理框架位置确定系统的作用是获取割草机的位置并将位置坐标传送给处理器;避障系统获得障碍物的距离，并传送给处理
15、器;处理器将这些数据揉合，并将揉合的数据放入数据库处理存储;规划系统根据数据库处理的结果对割草机进行行为规划;行为控制系统用规划好的结果指导割草机做出相应的动作。2.6本章小结本章对太阳能割草机器人的基本结构进行了设计，根据设计要求选择了割草机各个部分，设计出割草机机体内部各部件的分布，设计出了太阳能割草机器人控制结构以及数据处理结构。第三章 太阳能割草机器人控制系统的硬件构成太阳能割草机器人的控制硬件主要包括以下几个模块:中心控制系统(CPU与外设)，传感器系统，电机控制系统，位置确定系统。各系统的关系如图3.1所示。图3.1控制系统关系图3.1太阳能割草机的主控制器的介绍系统主控制器采用三
16、星公司生产的32位RISC处理器S3C2410331o S3C2410为一款性价比非常高的CPU，它的内核基于ARM920T，带有MMU (Memory Management Unit)功能，其主频达到203MHz，同时它还采用了AMBA(Advanced Microcontroller BusArchitecture)的新型总线结构，实现了MMU, AMBABUS, Harvard的高速缓冲体系结构，同时支持Thumb 16位压缩指令集，从而可以满足以较小存储空间存储指令的需求，获得32位的系统性能。芯片不但价格适中，而且提供了丰富的片上资源。S3C2410X在包含ARM920T核的同时，增
17、加了丰富的外围资源，如图下图所示。S3C2410X主要片内外围模块包括:.1个LCD控制器，支持STN和TFT液晶显示屏;.外部存储器管理(SDRAM控制器和芯片选择逻辑);.3个通道的DART;.4个通道的DMA，支持存储器和I/O口之间的传输，以碎发模式提高传输率;.4个具有PWM功能的16位定时/计数器和1个16位内部定时器，支持外部时钟源;.8通道的10位ADC，最高速率可达500kB/s, 10位分辨率;.触摸屏接口;. IIS总线接口;.2个USB主机接口，1个USB设备接口;.2个SPI接口;.SD卡接口和MMC卡接口;.16位看门狗定时器;.117位通用I/0口和24位外部中断
18、源;.8通道10位AD控制器;.电源管理。3.2 CPU核心电路的设计CPU电路是整个系统硬件的基础和控制核心，由于S3C2410本身对RAM要求很大，但是S3C2410只有16K cache，这还远远不够系统的运行，因此必须扩展SDRAM作为数据暂存空间。S3C2410本身没有FLASH，因此还必须外接FLASH用于启动代码的存储，程序数据的存储。核心电路主要由CPU, SDRAM, Flash、电源电路、外部晶振、LCD和复位电路等部分组成，如图3.2所示图3.2核心电路连接图3.3传感器的系统模块设计- CMPS03电子罗盘的应用电子罗盘是机器人导航必须的方位传感器。在本系统中采用CMP
19、S03电子罗盘。这种电子罗盘模块是专门为机器人而制造，目的为了给机器人提供合适的方向导航信号。电子罗盘可以方便的通过IZC总线或串行口连接到控制器上。输出信号为一数值，其用来指示当前传感器和地球磁场之间的偏角。如图5.20所示为CMPS03电子罗盘的实物照片。电子罗盘需要在5V电压15mA的标准电流下工作，分辨率为0.10。可以通过两种方法获取模块的测量结果:一种是通过对引脚4的PWM脉冲的正脉冲宽度的测量来判断角度的大小。在这种模式下，PWM脉冲的正脉冲宽度代表角度的大小。正脉冲宽度在lms (0)和36. 99ms (359.9)之间变化，也就是说，每0.lms代表1度，并有lms的补偿(
20、在lms时角度为零)。在PWM模式下，引脚2,3必须通过电阻接+5V电压。另一种是通过2,3引脚的C接口直接获取角度读数。图3.3 CMPS03实物图第四章 太阳能割草机器人的软件设计4.1嵌入式数据库的应用数据采集与数据的存储分析在本系统中具有很重要的位置，它关系到机器人的实时性与高效性。太阳能割草机器人在开始需要建立电子边界地图，本系统中地图的边界是以连续点的形式标注，因此需要使机器人能以更优化的方式管理数据;在运动过程中，割草机还需要迅速的判断出是否到达边界。在本系统中，为实现全区覆盖的遗漏率较低，采用的是坐标比较法，在行走过程中控制器不断记录走过的坐标并存储，在行走的过程中不断地提取走
21、过的位置数据与此刻的位置比较，以判断是否已经走过。但是这样会牵扯到大量数据的处理，传统的数据采集处理系统大多通过文件系统进行数据存储，根据地址提取，文件存储的不足表现为存储效率低，安全性能差和并发性能不佳。因此，为解决以上问题，本系统引入数据库系统。图4.1 割草运动系统图4.1.1嵌入式系统SQLite简介本系统使用嵌入式数据库SQLite取代文件系统进行数据存储和管理。SQLite是2000年开发出来的一种中小型嵌入式数据库，可以较为方便地运用于嵌入式系统中。它的源代码完全开放，可以免费用于任何用途，包括商业目的。SQLite提供了对SQL92的大多数支持，支持多表和索引、事务、视图、触发
22、和一系列的用户接口及驱动。嵌入式数据库有占用存储空间小、可靠性高、可管理性和安全性好，功能齐全，健壮性与可裁减性，互操作性和可移植性好等优点。系统无论在采集效率上还是系统稳定性上都比传统系统有了很大的提升。它的特点如下：.支持ACID事务;.支持大部分的SQL命令.零配置一一一无需安装和管理配置;.储存在单一磁盘文件中的一个完整的数据库;.数据库文件可以在不同字节顺序的机器间自由共享;.存储量大，支持数据库大小至2 TB.体积小，全部源码大概3万行C代码，250 KB，代码完全开放，可以免费用于任何用途，包括商业目的。图4.2 嵌入式数据库驱动结构图4.2关键部分编程的实现4.2.1主程序的设
23、计上一章已经对割草机的控制硬件设计做了详细的介绍，本系统控制硬件的工作原理是:定位系统的距离信号经过单片机的简单处理得出简单的坐标信号，传给CPU-ARM芯片，CPU与数据库内的记录数据比较，并将割草机器人此刻坐标存入存储器;超声波避障传感器将障碍物的距离接收到，进过单片机的简单处理得出障碍物距离，与允许距离比较，判断如何走，将行走数据信号传给CPU, CPU综合各种外部信息，决策如何行走，并将障碍物的信息存储在FLASH中。本系统的具体流程如下图4.3。图4.3割草机器人的总体框架在本系统中，每一部分都有一个单片机作为分处理器，中央处理器可以得到单片机传出的经过简单处理的数据。这样可以大大减
24、少中央处理器的处理量，而且便于中央处理器的管理。由于单片机的价格比较低廉，因此不会过多的增加本系统的成本。4.2.2超声波避障程序的设计在本系统中，设计了五个超声波测距模块，每个测距模块都有一个AT89C51单片机对其进行控制计算，单片机与CPU用CAN总线相连。五个测距模块均匀的分布在割草机的前部，五个超声波模块分不同的时间段发射超声波，即:测距模块1首先发射超声波，延时一段时间tY，超声波接收器启动，接收一段时间t、后停止接受;再延时，后，启动超声波测距模块2，如此运行;当碰到障碍物时，可以根据每个模块两个超声波接受传感器接到返回超声波信号的时间确定其大体的位置。每个超声波测距模块的流程如
25、下图4.4:图4.4超声波传感器的流程传感器每次发射超声波后，为了防止余波干扰，延时ty后再打开接超声波收传感器接受返回信号，这样会出现测距盲区，盲区距离为lm=vty/2。一般而言超声波发射时间越长，测得障碍物效果越好。但发射时间增长，会增加盲区的距离。本系统设定发射时间为0.5ms，即将t，定为0.5ms，则n，大约为1 Ocm。在割草过程中，一般为了防止割草机由于碰撞产生的损坏，割草机没有必要测到这样短距离之内障碍物，在割草机到障碍物还有一段距离时，割草机器人已经做出了动作。第五章 总结与展望5.1总结本文对太阳能割草机器人的总体结构进行了比较全面的研究，着重研究了太阳能割草机器人的总体
26、结构，能源分配，电机控制系统，测距系统，超声波避障系统;在软件部分介绍了Linux操作系统，将嵌入式数据库引入割草机器人构建了Linux-SQLite系统，以及给出了太阳能割草机的主要部件的编程算法。 根据本文所做的工作，本系统的主要成果大致可以归纳为以下几个方面:(1)本系统对太阳能割草机所在割草区域内运动定位和避障的方法进行了研究。运动过程中机器人的准确定位是导航与路径规划的必要条件，本文提出了一种基于基站为定位基准原点对割草区域坐标化的方法，增加定位的准确性，避免了在运动过程中误差的积累。(2)分析了太阳能割草机的能量构成，以及能量的分配格式。本文根据能量的供应方式提出了合理管理方式，即
27、引入了Agent管理方法综合分析能量的供应环境，决策采用何种方案对割草机进行供电，并对能量管理的进行了电路的设计。(3)本文对电机的控制进行了优化设计，设计了一个基于粒子群优化算法的模糊控制器，提高了模糊控制各参数的自我调节能力，提高模糊控制器控制电机的自适应性。避障系统是每个机器人必不可少的关键部分，本文设计了一个超声波避障系统，其不但能准确计算出障碍物的位置，而且减少了机器人成本。本文还采用COMPS03作为位置传感器为机器人提供了行走方向。本文还根据定位理念设计了基站发射部分以及割草机相对位置距离测量部分，并给出了具体电路图。(4)本文将嵌入式数据库SQLite引入割草机器人，使其充当割
28、草机器人的数据管理者的角色，提高了嵌入式的实时性与可靠性，使割草机的数据处理能力大大提高。本文还对割草机的避障系统，基站系统，电机控制系统的算法进行了研究，并给出了各部分工作的流程。5.2展望太阳能割草机器人是一个具有智能性、自主性的系统，需要多个学科门类共同协作才能完成。本文对太阳能割草机的基本框架、控制结构以及控制电路做了深入的研究，为今后太阳能割草机器人的发展奠定了基础，但是本人的时间有限，研究难以更加深入，因此在本系统的基础上还有以下几个方面需要进行广泛的研究:(1)进一步研究割草机的决策系统，使割草机具有学习能力。本系统使用对象为工作环境比较简单的家庭草坪及公共绿地，因此本系统不适合
29、复杂环境，如何使系统具有学习能力将为我们将来研究的一个对象。（2）对太阳能电池板功能控制方法进一步研究。太阳能电池为不稳定的电源，对太阳能电池的控制策略是太阳能有效利用的一个重点。如何对太阳能电池板控制，使其能量更稳定向负载提供，将是我们研究利用太阳能的一个重点。(3)优化主控器与下位控制器连接方法，使割草机各个模块能独立工作又能相互联系。本系统上位机与下位机之间通过简单的数据线相连，使控制器与下位机的通讯效率低下，将来使用总线通讯结构会使割草机系统运行通讯速度及扩展能力大大增加。(4)在本系统的硬件平台上继续扩展其它模块。本系统使用S3C2410作为控制器，其提供了丰富的接口，使其它功能模块的扩展变得简单易行。例如:图像识别模块、无线网络、防盗报警等，这些模块可以用总线结构与S3C2410相连接，从而使太阳能割草机器人智能化程度更高。 2011 学年 第二 学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考 核 科 目： 机器人控制技术学生所在院（系）：电信学院学生所在学科： 控制理论与控制工程姓 名： 王龙飞学 号： 100401819学 生 类 别： 硕士研究生题 目： 基于ARM太阳能割草机器人控制系统的研究24